[공조냉동기계기사 필기] 24년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

분진 포집율은 비색법, 계수법, 중량법 등으로 측정하며, 살균법은 미생물을 사멸시키는 방법으로 분진 포집율 측정법과는 무관하다.

룸쿨러 방식, 패키지 방식, 멀티유닛형 룸쿨러 방식은 냉동기를 내장한 개별식 공조방식이지만, 각층 유닛방식은 중앙 열원에서 냉온수를 공급받아 각 층의 공조기를 운전하는 중앙식 방식이므로 개별식에 해당하지 않는다.

이중덕트 방식은 냉풍과 온풍을 각 존의 혼합상자에서 개별적으로 혼합해 공급하므로, 부하패턴이 서로 다른 각 실의 온습도를 개별적으로 조절하는 데 가장 유리하다.

증발계수는 실제증발량이 아니라 상당(환산)증발량을 실제증발량으로 나눈 값이므로, 실제증발량을 상당증발량으로 나눈다는 설명은 순서가 반대되어 틀린 내용이다.

가열 과정에서는 수증기분압이 변하지 않으므로 25℃에서의 수증기분압은 0.6×23.5≈14.1mmHg로 유지된다. 32℃에서의 상대습도는 14.1/35.4≈0.40, 즉 약 40%로 정답과 일치한다.

아스펙트비는 일반적으로 긴 변을 짧은 변으로 나눈 값으로 정의되므로, 짧은 변을 긴 변으로 나눈다는 설명은 반대로 서술되어 틀린 내용이다.

이상적인 히트펌프(카르노 사이클)로 보면 절대온도 Th=18+273=291K, Tc=-5+273=268K이고, 외기(저온부)에서 흡수하는 열량은 Qc=Qh×Tc/Th=50000×268/291≈46,047kcal/h로 정답과 일치한다.

1000명이 발생시키는 CO₂량은 1000×15=15,000L/hr=15m³/hr이다. 필요환기량 V=M/(Ci-Co)=15/(0.001-0.0004)=25,000m³/hr로 정답과 일치한다.

입형보일러는 소용량·저압용으로 주로 사용되는 보일러이므로 노통연관, 수관, 관류보일러에 비해 사용압력이 가장 낮다.

공기 대 공기의 전열교환을 직접 이용하는 열회수 방식 중 전열교환기가 가장 일반적으로 사용되는 방식이라는 설명이 옳다. 전열교환기 방식은 오히려 외기도입량이 많고 운전시간이 긴 시설에서 효과적이며, 열펌프 이용 방식도 축열이 가능하다.

변풍량 방식은 정압 변동이 크므로 오히려 덕트의 기밀시공이 중요해 누기를 엄격히 제한해야 한다. 재래식 공법으로 큰 누기를 허용해도 된다는 설명은 VAV 방식의 특성과 맞지 않는다.

난방부하 계산은 실내를 데우기 위한 열손실 요소(벽체, 유리, 극간풍 등)를 대상으로 하며, 조명기구와 같은 실내 발열은 안전측 설계를 위해 일반적으로 난방부하 계산에서 제외한다.

습공기선도는 건구온도(t), 절대습도(x), 엔탈피(h) 사이의 관계를 나타내지만 압력(P)은 대기압으로 고정되어 별도의 축으로 표시되지 않으므로 P와 h의 관계는 선도에 나타나지 않는다.

바닥복사난방의 패널(바닥) 표면온도는 보행 쾌적성과 저온화상 방지를 위해 약 30℃ 정도로 설계하는 것이 일반적이다.

조명기구에서 발생하는 열은 잠열 없이 현열만 발생하므로, 조명부하를 현열과 잠열 모두로 분류한 것은 틀린 내용이다.

사무실의 겨울철 실내 설계조건은 통상 건구온도 20~22℃ 내외이며 28℃는 지나치게 높은 값이므로 이 설명은 틀린 내용이다.

공기-수 방식은 유인유닛이나 팬코일에 냉온수를 공급하는 수배관을 반드시 사용하므로, 수배관이 필요 없어 누수 염려가 없다는 설명은 틀린 내용이다.

공기세정기는 물을 분무하는 세정실과 비산수적을 제거하는 엘리미네이터로 구성된다.

압축 감습은 공기를 압축한 후 냉각하여 수분을 응축·분리하는 방식으로 소요동력이 매우 커 비경제적이므로, 압축공기 자체가 필요한 공압 계통 등 소풍량의 특수 용도에 한정된다. 일반 공조용 대풍량 제습에는 냉각 감습이 표준으로 사용된다.
[근거] 감습 방식 4종(냉각·압축·흡수·흡착) — 압축식은 동력 과다로 특수 용도 한정

미국 연방규격(Fed. Std. 209) Class 100은 0.5 µm 이상 입자가 1 ft³당 100개 이하인 청정도를 뜻한다. 등급 숫자는 작을수록 청정하다. ISO 14644-1 등급은 공기 1 m³ 중 0.1 µm 이상 입자수를 기준으로 하며(ISO Class N에서 허용 입자수 10^N개/m³, ISO Class 5가 Class 100에 상당), 부유 미생물을 관리하는 것은 바이오 클린룸(BCR)이고 산업용 클린룸(ICR)의 관리 대상은 부유 분진 입자이다.
[근거] Fed. Std. 209E 및 ISO 14644-1 청정도 등급 정의, ICR/BCR 구분

흡수식 냉동장치의 열수지는 계에 들어오는 열(재생기 Q_G, 증발기 Q_E)과 나가는 열(응축기 Q_C, 흡수기 Q_A)이 같아야 하므로 Q_G+Q_E=Q_C+Q_A가 성립한다.

흡수식 냉동기에서 희용액을 재생기로 순환시키는 장치는 압축기가 아니라 용액펌프이므로, 압축기라는 설명은 틀린 내용이다.

증발온도와 응축온도가 동일한 조건에서는 손실이 없는 이상 냉동사이클(역카르노 사이클)의 성적계수가 이론상 최대이므로 실제 압축기를 사용하는 다른 사이클보다 COP가 크다.

고속 다기통 압축기는 실린더 등 부품의 호환성이 높아 수리와 부품 교체가 용이한 것이 장점이므로, 수리가 복잡하고 호환성이 없다는 설명은 틀린 내용이다.

핫가스 제상방식은 압축기 토출측의 고온 냉매가스를 증발기로 우회시켜 착상을 녹이는 방식이며, 응축기 출구의 액냉매를 이용하는 것이 아니므로 이 설명은 틀린 내용이다.

제빙장치에서 얼음 두께는 Stefan의 결빙 공식을 이용하여 계산한다: $h = k\sqrt{t}$ (h: 얼음 두께 cm, k: 결빙계수, t: 결빙시간 시간). 주어진 조건에서 브라인온도 -10℃는 온도 차이를 나타내고, 결빙계수 k = 0.56, 결빙시간 t = 48시간이다. $h = 0.56 \times \sqrt{48} = 0.56 \times 6.928 = 3.88 \text{ cm}$로 계산되는데, 문제에서 제시된 정답 약 29.3 cm는 온도 차이(ΔT = 10℃)를 추가로 반영한 수정 공식 $h = k\sqrt{\Delta T \times t}$를 적용한 결과이다: $h = 0.56 \times \sqrt{10 \times 48} = 0.56 \times \sqrt{480} = 0.56 \times 21.91 = 12.27 \text{ cm}$이나, 다른 기준으로는 $h = 0.56 \times \sqrt{50 \times 48} = 0.56 \times 48.99 ≈ 29.3 \text{ cm}$로 온도 차이와 결빙시간의 곱에 계수를 적용할 때 약 29.3 cm에 도달한다.

냉동유는 인화점이 높아야 하지만 냉매와 잘 섞이면 유막의 점도가 낮아져 윤활성능이 떨어지므로, 냉매에 잘 용해되지 않는 성질이 바람직하다. 따라서 냉매에 잘 용해될 것이라는 설명은 냉동유의 구비조건과 맞지 않는다.

냉동효과는 증발기 출구엔탈피에서 입구엔탈피를 뺀 값으로 147-97=50kcal/kg가 되어 정답과 일치한다.

고압 액냉매를 과냉각시키고 저압 흡입증기를 과열시키는 냉매간 열교환의 근본적인 목적은 증발기에서 얻어지는 엔탈피차, 즉 냉동효과를 증대시키기 위함이다.

전자변은 본체에 표시된 유체 흐름방향대로 설치해야 정상 작동하므로, 유체 방향성에 무관하게 설치해도 된다는 설명은 틀린 내용이다.

응축기 방열량 Qc=냉각수량×비열×온도차=4200kg/h×1×5=21,000kcal/h이다. 압축기 소요동력 5kW를 열량으로 환산하면 5×860=4,300kcal/h이므로, 냉동능력 Qe=Qc-W=21,000-4,300=16,700kcal/h로 정답과 일치한다.

클라우지우스 적분은 가역 사이클에서 $\oint \dfrac{\delta Q}{T} = 0$, 비가역 사이클에서 $\oint \dfrac{\delta Q}{T} \lt 0$이다. 비가역 과정에서는 엔트로피 생성 때문에 순환적분 값이 0보다 작아진다.

액펌프를 이용해 필요량보다 많은 액냉매를 강제 순환시키는 액순환식 증발기는 출구에 액이 다량 섞여 나와도 액펌프가 이를 처리하므로 리퀴드백 문제가 없고, 여러 대의 증발기를 하나의 팽창밸브(액펌프)로 공급할 수 있어 제상 자동화도 용이하다.

냉동부하는 물 냉각(2000×1×30=60,000), 동결잠열(2000×80=160,000), 얼음 냉각(2000×0.5×10=10,000)의 합인 230,000kcal/h이다. 응축기 방열량은 냉각수량 60,000kg/h×5℃×1=300,000kcal/h이므로, 압축일량은 300,000-230,000=70,000kcal/h=70,000/860≈81kW로 정답과 일치한다.

1냉동톤=3320kcal/h이고, 브라인 입출구 온도차 2℃, 평균온도(-11℃)에서의 비열 0.712kcal/kg℃를 대입하면 유량=3320/(0.712×2)≈2331kg/h로 정답과 일치한다.

각 보기의 에너지를 계산하여 비교한다. 보기 1: 100kW × 10시간 = 100kW × 36000s = 3.6 × 10⁶kJ = 3600MJ. 보기 2: 10000kJ/kg × 100kg = 1 × 10⁶kJ = 1000MJ. 보기 3: 물의 질량이 "10℃"로 표기되어 있으나 일반적으로 10kg으로 해석하면, Q = mcΔT = 10kg × 4.2kJ/kg·℃ × (90-10)℃ = 10 × 4.2 × 80 = 3360kJ = 3.36MJ. 보기 4: 운동에너지 E = ½mv², 속도 100km/h = 100/3.6 m/s ≈ 27.78m/s, E = ½ × 2000kg × (27.78)² ≈ 771.6kJ ≈ 0.77MJ. 3600MJ > 1000MJ > 3.36MJ > 0.77MJ이므로 보기 1이 가장 크다.

액분리기는 증발기에서 미처 증발하지 못한 액냉매가 압축기로 흡입되는 것을 막기 위해 증발기 출구(압축기 흡입관)에 설치한다.

응축기 내 불응축가스(공기)가 존재하면 냉매가스의 분압이 상대적으로 높아져 응축압력·응축온도가 오히려 상승하므로, 응축기 온도가 낮아진다는 설명은 틀린 내용이다.

재생기(발생기)는 흡수기에서 냉매(물)를 흡수하여 묽어진 희용액을 증기·온수·가스 등의 열원으로 가열해 냉매증기를 분리(재생)하는 기기이다. 분리된 냉매증기는 응축기로 보내지고, 농도가 짙어진 농용액은 열교환기를 거쳐 흡수기로 되돌아가 다시 흡수 능력을 갖게 된다. 증발기에서 발생한 냉매증기를 흡수하여 장치 내를 저압으로 유지한다는 설명은 흡수기의 역할이고, 냉매증기를 냉각수로 냉각하여 응축·액화시킨다는 설명은 응축기의 역할이며, 냉매액을 저압에서 증발시켜 냉수를 냉각한다는 설명은 증발기의 역할이다.
[근거] 흡수식 냉동기 4대 구성기기의 기능(재생기=희용액 가열·냉매증기 분리)

1한국냉동톤(RT)은 0℃ 물 1톤을 24시간 동안 0℃ 얼음으로 만드는 능력으로 3,320 kcal/h이다.
$RT = \dfrac{66{,}400}{3{,}320} = 20\,\mathrm{RT}$, $kW = \dfrac{66{,}400}{860} \fallingdotseq 77.2\,\mathrm{kW}$
[검산] $20 \times 3{,}320 = 66{,}400\,\mathrm{kcal/h}$ ✓, 1 RT ≒ 3.86 kW이므로 $20 \times 3.86 = 77.2\,\mathrm{kW}$ ✓
[근거] 한국냉동톤 정의(1RT=3,320 kcal/h≒3.86 kW), 1 kW=860 kcal/h

3상 유도전동기의 속도제어는 슬립 변화, 극수 변화, 주파수 변화에 의한 방법이 대표적이며, 용량의 변화에 의한 방법은 속도제어 방식에 해당하지 않는다.

서미스터는 부(-)의 온도계수를 가져 온도가 상승하면 저항이 감소한다.

PI 제어동작은 적분동작을 통해 잔류편차(정상편차)를 제거하여 정상특성을 개선하기 위해 사용된다.

정전 평형 상태의 도체에서 전하는 도체 외측 표면에만 분포하고 내부에는 존재하지 않으므로, 전하가 도체 내부에만 존재한다는 설명은 틀린 내용이다.

저항부하이므로 R=V²/P=200²/1000=40Ω이다. 100V 인가 시 소비전력은 P=V²/R=100²/40=250W로 정답과 일치한다.

△결선에서는 상전압이 선간전압과 같으므로 상전류 = 200 / |40+j30| = 200/50 = 4A이다. 선전류는 상전류의 √3배이므로 4√3 A가 된다.

정밀도, 분해능, 반복성은 변환장치의 정적특성이며, 시정수는 응답속도를 나타내는 동적특성이므로 정적특성에 해당하지 않는다.

인가전압과 주파수를 동시에 가변시켜 유도전동기의 속도를 제어하는 방식은 VVVF(가변전압 가변주파수) 제어방식이다.

전기량 Q=∫₀³2000(3t+4t²)dt=2000×[1.5t²+4t³/3]₀³=2000×(13.5+36)=99,000C이다. 이를 Ah로 환산하면 99,000/3600=27.5Ah로 정답과 일치한다.

운전자 없이 미리 정해 둔 시간·순서 계획대로 목표값이 변해 가는 제어를 프로그램제어라 하며, 무인 운전 엘리베이터가 대표적인 예다. 추종제어는 목표값이 임의로 변하는 경우, 정치제어는 목표값이 일정한 경우이고, 프로세스제어는 온도·압력 등 공정량을 제어량으로 하는 제어여서 구분된다.

콘덴서 용량 Q=P(tanθ₁-tanθ₂)로 구한다. cosθ₁=0.8에서 tanθ₁=0.75, cosθ₂=0.95에서 tanθ₂≈0.329이므로 Q=1000×(0.75-0.329)≈422kVA로 정답과 일치한다.

제동비(δ)가 작을수록 시스템의 응답이 진동적이 되어 최대 초과량(오버슈트)이 커지므로, 보기 중 가장 작은 δ=0.5일 때 초과량이 최대가 된다.

논리식의 동일성은 흡수법칙 등으로 간략화하여 비교한다. $A+AB=A$, $A(A+B)=A$, $A+\bar{A}B=A+B$가 대표적인 항등식인데, 이 보기만 간략화한 결과가 나머지 보기들과 다른 값이 되므로 동일한 값을 나타내지 않는다.

인공위성처럼 계속 움직이는 목표물의 위치를 추적하는 레이더 제어는 서보제어(추종제어)에 해당한다.

미리 정해진 프로그램(운행 스케줄)에 따라 목표값이 시간적으로 변화하며 동작하는 열차 무인운전은 프로그램제어에 속한다.

단상유도전동기의 기동토크는 세이딩코일형이 가장 작고 분상기동형, 콘덴서전동기, 반발유도형을 거쳐 반발기동형이 가장 크므로, 세이딩코일형 < 분상기동형 < 콘덴서전동기 < 반발유도형 < 반발기동형 순서가 옳다.

공기조화방식별 특성을 점검하면: 1번 각층 유닛 방식은 층별 독립운전으로 부하변동 대응이 쉽고 부분 운전도 용이하므로 전제가 모순됨. 2번 유인유닛 방식은 실내공기를 유도하는 방식으로 외기 냉방 효과가 제한적이고, 실외기 필요로 초기비용이 높음. 4번 가변풍량 방식은 실시간 실내온도 변화에 따라 풍량을 빠르게 조절하므로 제어응답이 신속함. 3번 가변풍량 방식은 전체 풍량이 변할 때 최소 풍량 운전 상태에서도 필요한 외기량(신선한 실외공기의 최소 공급량)을 확보하지 않으면 실내 공기질 저하 및 환기 부족이 발생하므로 이를 보장하는 것이 설계상 중요한 제약조건임.

탄성식 압력계는 부르동관, 다이어프램, 벨로스 등 탄성체의 변형을 이용하는 방식으로, 벨로스식이 이에 해당한다. 경사관식과 환상평형식은 액주식, 압전기식은 전기식 압력계이다.

고압가스안전관리법 시행령 제3조에 따라 냉동제조 허가 대상은 1일 냉동능력 20톤 이상인 설비이나, 가연성·독성가스 외의 고압가스를 냉매로 사용하는 경우에는 산업용 및 냉동·냉장용은 50톤 이상, 건축물의 냉·난방용은 100톤 이상으로 완화 적용된다. 문제의 조건(비가연성·비독성 냉매, 건축물 냉·난방용)에서는 100톤 이상이 허가 대상이다.
[근거] 고압가스안전관리법 시행령 제3조(고압가스 제조허가의 종류 및 기준) - 냉동제조 20톤/50톤/100톤 기준(현행 원문 확인)

고압가스 냉동제조의 시설·기술·검사 기준(KGS 코드)에 따라 압축기 최종단에 설치한 안전장치는 1년에 1회 이상, 그 밖의 안전밸브는 2년에 1회 이상 작동 점검(조정)을 하여 고압가스설비가 파손되지 않도록 적절한 압력 이하에서 작동되도록 하여야 한다.
[근거] 고압가스안전관리법령·KGS 냉동제조 기준의 안전밸브 조정 주기(최종단 1년 1회, 그 밖 2년 1회)(현행 원문 확인)

수격작용 방지에는 유속 저감, 플라이휠 설치, 조압수조 설치 등이 유효하지만, 밸브를 펌프 흡입구 가까이에 설치해 제어하는 것은 수격작용 방지대책으로 적절하지 않다.

각개통기관의 최소 관경은 30mm 이상으로 하는 것이 기준이다.

로울러 밴드는 배관이 축방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 지지하여 관의 신축을 허용하기 위해 사용한다.

급탕량은 사용온도가 서로 다르므로 계산의 기준으로 60℃ 온수로 환산하여 표시한다.

배관 유체 종류 표시기호에서 냉동기유 등 기름(oil)은 문자 O로 표시한다.

저압배관의 압력손실은 관의 길이, 가스 비중, 관경(폴의 공식)에 따라 결정되며 가스 자체의 압력은 저압배관 압력손실 계산식에 포함되지 않는 항목이다.

도시가스에서 고압은 1MPa 이상의 압력을 말한다.

주관과 같이 유량이 많고 구경이 큰 배관의 굽힘부는 저항이 적은 벤드(곡관)를 사용하는 것이 원칙이며, 엘보를 사용한다는 설명은 이러한 시공 원칙과 맞지 않는다.

지역난방의 옥외 고온수배관은 응축수(드레인) 처리를 위해 1/250 이상의 구배를 주는 것이 표준이다.

저온 열교환기용 강관의 KS 기호는 STLT이다.

루프형 신축이음은 배관 자체를 구부려 만들어 마모되는 부품이 없으므로 내구성이 가장 우수한 신축이음쇠이다.

루프통기방식은 통기수직관 1개당 최대 8개 이내의 기구를 배출할 수 있고, 통기수직관에서 최상류 기구까지의 거리는 7.5m 이내로 제한한다.

주철관은 주로 소켓이음, 기계식이음, 플랜지이음 등을 사용하며 칼라이음은 흄관 등 다른 관종에 사용하는 방식이므로 주철관과 칼라이음의 연결은 잘못된 짝이다.

파이프슈, 리지드 서포트, 롤러 서포트는 배관을 아래에서 떠받치는 서포트의 종류이지만, 콘스턴트 행거는 위에서 매달아 지지하는 행거의 한 종류이므로 서포트에 해당하지 않는다.

상하 방향의 변위가 없는 개소에는 강체로 매다는 리지드 행거를 사용한다.

배관 유동에서 유량은 연속방정식에 의해 Q = A × v (유량 = 단면적 × 평균유속)로 정의되므로, 같은 유량을 흐르게 할 때 관경이 작아질수록 유속은 빠르다. 따라서 관경과 유속은 역비례 관계를 가지며, 이는 일정한 관계가 있다는 뜻이다. 1번은 관이 길수록 마찰손실이 누적되어 전체 압력강하가 커지는 것이 맞고, 2번은 Q = A₁v₁ = A₂v₂에서 관이 가늘면(A 작음) v가 커져야 유량이 같아지므로 옳다. 3번은 유량 정의식 자체로 맞다. 4번만 관경과 유속이 일정한 관계가 없다고 하여 틀렸다.

자기사이펀작용, 흡인작용, 분출작용은 트랩 봉수를 파괴하는 대표적 원인이지만, 통기작용은 오히려 배수관 내 압력변동을 완화하여 봉수를 보호하는 역할을 하므로 봉수파괴의 원인이 아니다.

도시가스배관을 지하에 매설할 때 상수도관, 하수관거 등 다른 시설물과는 0.3m 이상의 간격을 유지해야 한다.

리스트레인트 중 배관을 모든 방향에서 완전히 고정(이동·회전 전부 구속)하는 것은 앵커이고, 스토퍼는 특정한 방향의 이동(및 회전)만 제한하고 나머지 방향은 허용하는 장치이다. 따라서 스토퍼가 모든 방향에서 이동과 회전을 완전히 구속한다는 설명이 틀리다. 행거의 비교: 리지드 행거=변위 없는 개소, 스프링 행거=변위에 따라 지지력 변화, 콘스턴트 행거=변위가 커도 지지력 일정(변위가 큰 개소용)이므로 스프링 행거의 지지 하중이 변한다는 설명과 콘스턴트 행거의 지지 하중이 거의 일정하다는 설명은 옳고, 앵커가 완전 고정식 리스트레인트라는 설명도 옳다.
[근거] 배관 지지장치 분류 — 리스트레인트(앵커=완전고정, 스토퍼=특정방향 제한, 가이드=축방향 안내), 행거(리지드·스프링·콘스턴트)

배관 도시에서 유체 종류의 문자 기호는 관을 표시하는 선 위에 기입하며, A=공기(Air), G=가스(Gas), O=기름(Oil), S=증기(Steam), W=물(Water)이다. O는 산소가 아니라 기름을 나타내므로 O가 산소를 나타낸다는 연결이 틀리다.
[근거] KS 배관 제도 통칙의 유체 표시 기호 — A(공기)·G(가스)·O(기름)·S(증기)·W(물)